一种新型电解水制氢系统及其运行方法与流程

本发明涉及化工与控制技术领域，具体涉及一种新型电解水制氢系统及其运行方法。

背景技术：

氢是一种清洁高效的二次能源，无法直接从自然界中获取，必须通过制备得到。目前制氢路线中，电解水制氢过程不存在碳排放、工艺简单，是未来重要的制氢途径，特别是利用可再生能源电力制氢，是能实现全周期零碳排放的制氢方式，且将制取的氢气存储，还可实现可再生能源电力的大规模消纳，解决电力供需不平衡。但目前电解水制氢技术与可再生能源配合还存在问题。可再生能源电力具有随机性、波动性特征，会带来不同类型、不同幅度、不同频率的功率波动，电解槽将会运行在频繁启停、低载/过载、功率突增等工况，如不加以控制，将会对电解槽的寿命及耐久性产生影响。如，在低载工况下，电解槽运行电流密度过低，产氢量有限，氧中氢含量高，给槽安全运行带来隐患，同时低电流密度下，电解制氢装置辅机能耗占比大，系统能耗相对高。在过载情况下，电解槽运行于高电流密度，电压过高，会引起催化剂脱落、极板腐蚀等问题，造成性能的衰减。而功率突增等情况，快速大幅的功率爬升，将在短时间内产生大量气泡，阻碍反应进行，同时导致压力波动，带来催化剂不稳定甚至脱落等系列问题。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的制氢装置波动适应性较差的缺陷，从而提供一种新型电解水制氢系统及其运行方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种新型电解水制氢系统，包括：储能模块、变换模块及至少一个电解槽，其中，变换模块的第一端与外接电源连接，变换模块的第二端与电解槽连接；储能模块与变换模块的第三端连接，或储能模块直接与电解槽连接；储能模块设置于变换模块内部，或变换模块与储能模块为两个独立的装置；变换模块用于实现外接电源分别与电解槽、储能模块之间的电压转换，和/或储能模块与电解槽之间的电压转换；储能模块用于消纳外接电源的多余电能，和/或为电解槽提供额外的电能。

在一实施例中，当储能模块与变换模块的第三端连接时，其中，当电解槽的运行状态为过载或输入功率突变时，变换模块将外接电源的电压转换为电解槽的供电电压、储能模块的充电电压，储能模块充电；和/或，当电解槽的运行状态为低载时，储能模块放电，变换模块将外接电源的电压及储能模块的放电电压均转换为电解槽的供电电压。

在一实施例中，当储能模块直接与电解槽连接时，其中，当电解槽的运行状态为过载或输入功率突变时，变换模块将外接电源的电压转换为电解槽的供电电压、储能模块的充电电压，储能模块充电；和/或，当电解槽的运行状态为低载时，变换模块将外接电源的电压转换为电解槽的供电电压，储能模块放电为电解槽提供额外的电能。

在一实施例中，当储能模块置于变换模块内部，储能模块与变换模块的第三端连接时，变换模块包括：第一dc-dc变换环节及第一ac-dc变换环节，其中，第一ac-dc变换环节的输入端与外接电源连接，第一ac-dc变换环节的输出端与第一dc-dc变换环节的输入端及储能模块连接，第一dc-dc变换环节的输出端与电解槽连接。

在一实施例中，当储能模块与变换模块为两个独立的装置，储能模块与变换模块的第三端连接时，变换模块还包括：第二dc-dc变换环节、第三dc-dc变换环节、第二ac-dc变换环节，其中，第二ac-dc变换环节，第二ac-dc变换环节的输入端分别与外接电源连接，第二ac-dc变换环节的输出端与第二dc-dc变换环节的输入端及第三dc-dc变换环节的第一端连接，第二dc-dc变换环节的输出端与电解槽连接，第三dc-dc变换环节的第二端与储能模块连接。

在一实施例中，新型电解水制氢系统还包括：水循环模块及冷却模块，其中，水循环模块的第一端与电解槽连接，水循环模块用于为电解槽提供电解用水；冷却模块与水循环模块的第二端连接，冷却模块中的冷却用水与电解槽进行热置换，并与冷却模块进行热置换。

在一实施例中，新型电解水制氢系统还包括：氧气模块及氢气模块，其中，氧气模块与电解槽的第二端连接，氧气模块用于对电解槽电解水输出的氧气进行纯化、压缩后储存；氢气模块与电解槽的第二端连接，氢气模块用于对电解槽电解水输出的氢气进行纯化、压缩后储存。

第二方面，本发明实施例提供一种新型电解水制氢系统的运行方法，其特征在于，基于第一方面的制氢系统，运行方法包括：获取外接电源的输出功率及输出功率变化率，基于输出功率、输出功率变化率，判断电解槽的运行状态；基于电解槽的运行状态，以最大制氢量为优化目标，结合预设约束条件，通过调整电解槽的运行功率、储能模块的运行功率，使外接电源同时为电解槽及储能模块供电，或使外接电源及储能模块同时为电解槽供电。

在一实施例中，电解槽的运行状态包括：输入功率突变、过载、低载。

在一实施例中，判定电解槽的运行状态为输入功率突变的过程，包括：判断输出功率变化率是否超过预设变化率阈值，当输出功率变化率高于预设变化率阈值时，判定电解槽的运行状态为输入功率突变。

在一实施例中，判定电解槽的运行状态为过载的过程，包括：根据分阶段功率判据，对输出功率进行分阶段判断：判断输出功率是否高于第一预设功率阈值，且低于第二预设功率阈值，当其高于第一预设功率阈值，且低于第二预设功率阈值时，开始计时，使电解槽过载运行预设时间后，判定电解槽的运行状态为过载；或，当电解槽的输入功率高于第二预设功率阈值时，判定电解槽的运行状态为过载；第一预设功率阈值小于第二预设功率阈值。

在一实施例中，判定电解槽的运行状态为低载的过程，包括：判断输出功率是否低于第三预设功率阈值；当电解槽的输入功率低于第三预设功率阈值时，判定电解槽的运行状态为低载，第三预设功率阈值小于第一预设功率阈值。

在一实施例中，当电解槽的运行状态为过载或输入功率突变时，外接电源同时为电解槽及储能模块供电；和/或，当电解槽的运行状态为低载时，外接电源及储能模块同时为电解槽供电。

在一实施例中，预设约束条件包括：电解槽的运行功率大于或等于第三预设功率阈值，且电解槽的运行功率小于或等于第二预设功率阈值；电解槽的运行功率大于第一预设功率阈值、小于第二预设功率阈值的持续时间小于预设时间；储能模块的功率与电解槽的功率之和小于或等于外接电源的输出功率；电解槽的运行功率大于或等于最小运行功率，且电解槽的运行功率小于或等于最大运行功率；储能模块的容量大于或等于最小预设容量阈值，且储能模块的容量小于或等于最大预设容量阈值。

在一实施例中，新型电解水制氢系统的运行方法还包括：在启动制氢系统时，储能模块放电为电解槽进行预热。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的新型电解水制氢系统及其运行方法，设置储能模块，当电解槽的运行状态为过载或输入功率突变时，变换模块将外接电源的电压转换为电解槽的供电电压、储能模块的充电电压，储能模块充电，从而实现利用储能元件的快速储能优势，避免电解槽的持续过载及大幅功率爬升，减少瞬间大气量波动及持续高电位情况，提升电解槽耐久性，并利用降载阶段，促进电解槽状态恢复；和/或，当电解槽的运行状态为低载时，储能模块放电，变换模块将外接电源的电压及储能模块的放电电压均转换为电解槽的供电电压，从而避免电解槽运行于过低电流密度而引起的氧中氢含量升高、系统能耗大幅增加等问题，保障电解制氢的安全稳定运行能力，增加制氢装置的利用率。

2.本发明提供的新型电解水制氢系统及其运行方法，根据分阶段功率判据，对所述输出功率进行分阶段判断，当外接电源的输出功率高于第一预设功率阈值，且低于第二预设功率阈值时，开始计时，使电解槽过载运行预设时间后，判定电解槽的运行状态为过载，或当电解槽的输入功率高于第二预设功率阈值时，判定电解槽的运行状态为过载，从而实现对电解槽的分阶段过载限制。

3.本发明提供的新型电解水制氢系统及其运行方法，储能模块在制氢装置启动过程中释放电力，用于电解槽内的供水模块的预热，从而提升制氢装置的启动速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)、图1(b)分别为本发明实施例提供的制氢系统的一个具体示例的组成图；

图2(a)、图2(b)分别为本发明实施例提供的变换模块的一个具体示例的组成图；

图3(a)、图3(b)分别为本发明实施例提供的制氢系统的另一个具体示例的组成图；

图4(a)、图4(b)分别为本发明实施例提供的制氢系统的另一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种新型电解水制氢系统，应用于电解制氢的场合，如图1所示，包括：储能模块1、变换模块2及至少一个电解槽3。

如图1(a)所示，变换模块2的第一端与外接电源连接，变换模块2的第二端与电解槽3连接，储能模块1与变换模块2的第三端连接。

如图1(b)所示，变换模块2的第一端与外接电源连接，变换模块2的第二端与电解槽3连接，储能模块1直接与电解槽3连接。

本发明实施例的外接电源可以为稳定电力输入或波动电力输入，波动电力输入可来自可再生能源发电机(风力或光伏发电机)，储能模块1可以实现快速储能及释能，并应对可再生能源电力带来的功率波动，储能模块1可以为超级电容或锂电池或其它储能模块1，同时还包含必要的传感装置、功率控制装置，用于控制其充电/放电功率，在此不作限制。

本发明实施例的电解槽3除了电解槽本体之外，还可以包含每个电解槽本体进出口物流的监测传感器与控制元件，控制元件可以控制电解槽3的运行状态，在此不作限制。

当储能模块1与变换模块2的第三端连接时，可选地，本发明实施例的储能模块1设置于变换模块2内部，或变换模块2与储能模块1为两个独立的装置，具体的布置方式如下：

(1)当储能模块1置于变换模块2内部时，如图2(a)所示，变换模块2包括：第一dc-dc变换环节21及第一ac-dc变换环节22，第一ac-dc变换环节22的输入端与外接电源连接，第一ac-dc变换环节22的输出端与第一dc-dc变换环节21的输入端及储能模块1连接，第一dc-dc变换环节21的输出端与电解槽3连接。

(2)当储能模块1与变换模块2为两个独立的装置、外接电源为交流电源时，如图2(b)所示，变换模块2包括：第二dc-dc变换环节23、第三dc-dc变换环节24及第二ac-dc变换环节25，第二ac-dc变换环节25的输入端分别与外接电源连接，第二ac-dc变换环节25的输出端分别与第二dc-dc变换环节23的输入端及第三dc-dc变换环节24的第一端连接，第二dc-dc变换环节23的输出端与电解槽3连接，第三dc-dc变换环节24的第二端与储能模块1连接。

需要说明的是，本发明实施例的第一ac-dc变换环节22、第二ac-dc变换环节25可以为单相变换器或三相变换器，具体的结构选择根据外接电源的类型确定。此外，图2(a)、图2(b)仅以具有一个电解槽3举例，当制氢系统具有至少两个电解槽3时，可以根据图1(a)、图1(b)，得到图2(a)、图2(b)的变形结构，在此不再赘述。

本发明实施例的变换模块2用于实现外接电源分别与电解槽3、储能模块1之间的电压转换，和/或储能模块1与电解槽3之间的电压转换；储能模块1用于消纳外接电源的多余电能，和/或为电解槽3提供额外的电能。

本发明实施例的储能模块1只能充能，或只能放能，或能够同时充能或放能，具体分为以下三种情况：

(1)当储能模块1只实现充能时，则仅当外接电源能量过冲时，变换模块2将外接电源的电压转换为储能模块1及电解槽3的供电电压，储能模块1充能，以消耗外接电源多余的电能。

具体地，如图1(b)所示，当储能模块1直接与电解槽3连接时，当电解槽3的运行状态为过载或输入功率突变时，变换模块2将外接电源的电压转换为电解槽3的供电电压、储能模块1的充电电压，储能模块1充电，以消耗外接电源多余的能量，此时的变换模块2可以具有ac-dc环节、dc-dc环节。

具体地，当储能模块1与变换模块2的第三端连接时，其中，当电解槽3的运行状态为过载或输入功率突变时，变换模块2将外接电源的电压转换为电解槽3的供电电压、储能模块1的充电电压，储能模块1充电。

具体地，当变换模块2为图2(a)所示的电路结构，电解槽3的运行状态为过载或输入功率突变时，第一ac-dc变换环节22将外接电源整流为直流电，一部分直流电经由第一dc-dc变换环节21进行电压变换之后为电解槽3供电，另一部分直流电直接为储能模块1充电，储能模块1消耗外接电源多余的功率。

具体地，当变换模块2为图2(b)所示的电路结构、电解槽3的运行状态为过载或输入功率突变时，第二ac-dc变换环节25将交流电源转换为直流电，一部分直流电经由第二dc-dc变换环节23进行电压变换之后为电解槽3供电，另一部分直流电由第三dc-dc变换环节24进行电压变换之后为储能模块1充电，储能模块1消耗外接电源多余的功率。

(2)当储能模块1实现放能、储能模块1与变换模块2的第三端连接时，则仅当外接电源能量过低，不足以维持电解槽3时，储能模块1放电，变换模块2将储能模块1放电电压、外接电源的电压同时转换为电解槽3的供电电压。

具体地，具体地，当变换模块2为图2(a)所示的电路结构、电解槽3的运行状态为低载时，第一ac-dc变换环节22将外接电源整流为直流电，储能模块1放电，直流电及储能模块1放电电压经由第一dc-dc变换环节21进行电压变换之后为电解槽3供电。

具体地，当变换模块2为图2(b)所示的电路结构、外接电源为交流电源、电解槽3的运行状态为低载时，第一ac-dc变换环节22将外接电源整流为直流电，储能模块1经由第三dc-dc变换环节24放电，直流电及储能模块1放电电压经由第一dc-dc变换环节21进行电压变换之后为电解槽3供电。

(3)当储能模块1实现放能、储能模块1直接与电解槽3连接时，则仅当外接电源能量过低，不足以维持电解槽3时，储能模块1放电，变换模块2将外接电源的电压同时转换为电解槽3的供电电压，此时储能模块1与外接电源同时为电解槽3供电。

具体地，如图1(b)所示，当储能模块1直接与电解槽3连接时，当电解槽3的运行状态为低载时，变换模块2仍将外接电源电压转换为电解槽3的供电电压，此外，储能模块1放电为电解槽3提供其余电能。

在一具体实施例中，当电解槽3的运行状态未处于过载、低载及输入功率突变的情况时，变换模块2将外接电源的电压转换为电解槽3的供电电压。

具体地，如图1(b)所示，当储能模块1直接与电解槽3连接、电解槽3的运行状态未处于过载、低载及输入功率突变的情况时，变换模块2将外接电源电压转换为电解槽3供电电压，此时仅有外接电源为电解槽3供电。

具体地，当变换模块2为图2(a)所示的电路结构、电解槽3的运行状态未处于过载、低载及输入功率突变的情况时，第一ac-dc变换环节22将外接电源电压转换为直流电，储能模块1既不充电也不放电，仅有直流电由第一dc-dc变换环节21进行电压转换后为电解槽3供电。

具体地，当变换模块2为图2(b)所示的电路结构、外接电源为直流电源、电解槽3的运行状态未处于过载、低载及输入功率突变的情况时，外接电源电压经由第二ac-dc变换环节25转换为直流电，储能模块1既不充电也不放电，仅有直流电由第二dc-dc变换环节23进行电压转换后为电解槽3供电。

在一具体实施例中，如图3(a)及图3(b)所示，新型电解水制氢系统还包括：水循环模块4及冷却模块5，其中，水循环模块4的第一端与电解槽3连接，水循环模块4用于为电解槽3提供电解用水；冷却模块5与水循环模块4的第二端连接，冷却模块5中的冷却用水与电解槽3进行热置换，并与冷却模块5进行热置换。

具体地，水循环模块4可以为电解槽3提供电解及冷却用水，其可以包含换热器、水泵、水箱，水泵可为变频水泵；气体模块可以包含气液分离器、纯化装置，还可包含气体压缩装置、气体储罐等，在此不作限制。

由于电解槽3在电解的过程中，产生电解热，故本发明实施例的水冷模块还为电解槽3提供冷却用水，以与电解槽3进行热置换，同时，水冷模块还与冷却模块5进行热置换，冷却模块5再将电解热置换到外部空气或用热单元中，其中，冷却模块5可以包含水泵和水箱，在此不作限制。

在一具体实施例中，如图4(a)及图4(b)所示，新型电解水制氢系统还包括：氧气模块6及氢气模块7，其中，氧气模块6与电解槽3的第二端连接，氧气模块6用于对电解槽3电解水输出的氧气进行纯化、压缩后储存；氢气模块7与电解槽3的第二端连接，氢气模块7用于对电解槽3电解水输出的氢气进行纯化、压缩后储存。

实施例2

本发明实施例提供一种新型电解水制氢系统的运行方法，基于实施例1的制氢系统，运行方法包括：

步骤s11：获取外接电源的输出功率及输出功率变化率，基于输出功率、输出功率变化率，判断电解槽的运行状态。

本发明实施例的电解槽的运行状态包括：输入功率突变、过载、低载。

具体地，本发明实施例判定电解槽的运行状态为输入功率突变的过程，包括：判断外接电源的输出功率变化率是否超过预设变化率阈值，当外接电源的输出功率变化率高于预设变化率阈值时，判定电解槽的运行状态为输入功率突变。

具体地，本发明实施例判定判定电解槽的运行状态为过载的过程，包括：

根据分阶段功率判据，对输出功率进行分阶段判断：判断输出功率是否高于第一预设功率阈值，且低于第二预设功率阈值，当其高于第一预设功率阈值，且低于第二预设功率阈值时，开始计时，使电解槽过载运行预设时间后，判定电解槽的运行状态为过载；或，当电解槽的输入功率高于第二预设功率阈值时，判定电解槽的运行状态为过载。

具体地，本发明实施例在判断电解槽的运行状态是否为过载时，采用改进分阶段功率判据，将电解槽的过载功率以及过载功率持续时间结合作为过载判据。即设置第一预设功率阈值、第二预设功率阈值、预设时间，第一预设功率阈值小于第二预设功率阈值，当外接电源的输出功率超过第一预设功率阈值、小于第二预设功率阈值时，此时电解槽过载运行，并开始计时，当电解槽过载运行预设时间时，若外接电源的输出功率仍超过第一预设功率阈值、小于第二预设功率阈值，判定电解槽的运行状态为过载；或，判断输入功率超过是否第二预设功率阈值，当电解槽的输入功率超过第一预设功率阈值的持续时间超过预设时间阈值时，或输入功率超过第二预设功率阈值时，将电解槽的运行状态判定为过载。

具体地，本发明实施例判定判定电解槽的运行状态为低载的过程，包括：判断输出功率是否低于第三预设功率阈值；当电解槽的输入功率低于第三预设功率阈值时，判定电解槽的运行状态为低载，第三预设功率阈值小于第一预设功率阈值。

步骤s12：基于电解槽的运行状态，以最大制氢量为优化目标，结合预设约束条件，通过调整电解槽的运行功率、储能模块的运行功率，使外接电源同时为电解槽及储能模块供电，或使外接电源及储能模块同时为电解槽供电。

具体地，在启动电解槽后，首先仅有外接电源为电解槽供电，而在外接电源为电解槽供电的过程中，本发明实施例对电解槽的运行状态进行监测，基于外接电源的输出功率及输出功率变化率，将电解槽的运行状态分为过载、低载及输入功率突变三种情况，当电解槽的运行状态为过载或输入功率突变时，启动储能模块，进行多余电力消纳，对电解槽进行降载，限制电解槽的过载功率以及过载功率的持续时间，提升电解槽耐久性；和/或，当电解槽的运行状态为低载时，此时启动储能模块进行放电，提高电解槽输入功率，避免电解槽运行于过低电流密度而引起的氧中氢含量升高、系统能耗大幅增加等问题。

具体地，当电解槽的运行状态分为过载、低载及输入功率突变任意一种情况时，在调节储能模块、电解槽的功率的过程中，考虑到储能模块的容量不可能无限大，而是有一定限制，因此增加风光波动功率预测方法对未来输出功率进行预测，以如式(1)所示的最大制氢量为优化目标，结合如式(2)所示的预设约束条件，进行储能模块与电解槽功率分配。

式(1)中，n为电解槽的个数，f为最大制氢量，pet为当前时刻电解槽的功率，ee为电解制氢单位制氢能耗(每产生一标立氢气耗电量，单位为kwh/nm³)，随着制氢功率变化而变化，不同制氢电解装置特性不同。

式(2)中，pl为第三预设功率阈值，phh为第二预设功率阈值，ps为当前时刻储能模块功率，pt为外接电源的输出功率，tt为电解槽过载运行时间，t为预设时间，pmin为电解槽最小运行功率，pmax为电解槽最大运行功率，socmin为储能模块的最小预设容量阈值，socmax为储能模块的最小预设容量阈值，soct为当前时刻储能模块的容量。

具体地，pl≤pet≤phh表示电解槽的运行功率大于或等于第三预设功率阈值，且电解槽的运行功率小于或等于第二预设功率阈值；tt≤t表示电解槽的运行功率大于第一预设功率阈值、小于第二预设功率阈值的持续时间小于预设时间，即电解槽过载运行时间小于预设时间；pe ps≤pt表示当前时刻储能模块的功率与电解槽的功率之和小于或等于外接电源的输出功率；pmin≤soct≤pmax表示当前时刻电解槽的运行功率大于或等于最小运行功率，且电解槽的运行功率小于或等于最大运行功率；socmin≤soct≤socmax表示储能模块的容量大于或等于最小预设容量阈值，且储能模块的容量小于或等于最大预设容量阈值。

需要说明的是，式(2)中，当外接电源同时为储能模块、电解槽供电时，pe、ps、pt均为正值，当外接电源、储能模块同时为电解槽供电时，pe、pt均为正值，ps为负值。

本发明实施例中，当电解槽的运行状态不为过载、低载及功率突变时，变换模块将外接电源的电压转换为电解槽的供电电压，即外接电源的输出功率正常时，仅有外接电源为电解槽供电。

在一具体实施例中，新型电解水制氢系统的运行方法还包括：

在启动制氢系统时，储能模块放电为电解槽进行预热，从而提升整个制氢装置的启动速度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。